IoTネットワーキング

こんにちは、ハブラフチアン！ 今日は、モノのインターネット向けに開発されているさまざまなネットワークテクノロジーの説明について説明します。



モノのインターネット（IoT、モノのインターネット）は、蒸気エンジンの発明や電力の工業化に匹敵する、次の革命的な飛躍になりつつあります。 今日、デジタルトランスフォーメーションは、経済の最も多様な分野を覆し、身近な環境を変えています。 さらに、このような場合によく発生するように、これらの変換の最終的な効果は、パスの先頭にあるため、予測が困難です。



開始されたプロセスは、明らかに均一であることができず、今日、一部の業界は他の業界よりも変化に対応しています。 前者には家電、輸送、物流、金融セクターが含まれ、後者には農業などが含まれます。 興味深い結果を約束する成功したパイロットプロジェクトがありますが。



TracoVinoプロジェクトは、現代ドイツで最も古いワイン産地である有名なモーゼル渓谷でIoTを使用する最初の試みの1つです。 このソリューションは、原材料の栽培から瓶詰めまで、ブドウ園のすべてのプロセスを自動化するクラウドプラットフォームに基づいています。 意思決定に必要なデータは、いくつかのタイプのセンサーからシステムに送られます。 温度、土壌水分、環境モニタリングの決定に加えて、日射量、土壌酸性度、およびその中の栄養素含有量を決定できます。 それは何を与えますか？ TracoVinoを使用すると、ワインメーカーはブドウ畑の状態に関する一般的なアイデアを得ることができるだけでなく、特定の領域を分析して問題を特定し、感染の可能性に関する早期の情報を取得し、ワインの品質と量についての予測を得ることもできます。



他にネットワークに接続できるものは何ですか？ IoTを使用するための最も開発されたシナリオには、スマートシティが含まれます。 Beecham Research、Pike Research、iSupply Telematics、および米国運輸省の研究によると、これらのプロジェクトの一部として、現在、世界中で10億を超えるデバイスがあり、水道、都市交通管理、公衆衛生、安全のさまざまな機能を担っています。 これらは、駐車スペースの使用を最適化するスマート駐車場、都市の住民が消費する水質を監視するインテリジェントな給水システム、必要な輸送の待ち時間に関する正確な情報を取得できるスマートバス停などです。



業界にはすでに数億台のデバイスが接続されています。 その中には、スマートなメンテナンスと修理システム、物流と安全、スマートなポンプ、コンプレッサー、バルブがあります。 エネルギーとユーティリティの分野には、多数のメーター、配電網の自動化要素、消費者向け機器、充電インフラ、再生可能および分散エネルギー源のインフラなど、多数のデバイスが関与しています。 ヘルスケアの分野では、診断ツール、モバイルラボ、さまざまなインプラント、遠隔医療機器が接続され、モノのインターネットに接続されます。







今後数年間で、マシン接続の数は年間25％増加し、2021年までに、地球上に接続されるデバイスは280億個になると予想されています。 これらのうち、慣れ親しんだユーザーガジェット（スマートフォン、タブレット、ラップトップ、PC）からはわずか130億個、150億はさまざまな種類のセンサー、販売用端末、車、ディスプレイ、インジケーターなどのユーザーおよび産業用デバイスで構成されます。



近い将来の一見印象的な数字にもかかわらず、それらは最終的なものではありません。 IoTはどこにでも実装され、さらに先に行くほど、よりシンプルで複雑なデバイスを接続する必要があります。 テクノロジーの発展により、特に2020年以降の5Gネットワ​​ークの立ち上げの影響により、接続デバイスの数は急速に増加し、すぐに500億に近づきます。







接続の大規模な性質とさまざまな使用シナリオにより、最も広範囲のIoTネットワークテクノロジーの要件が決まります。 データ転送速度、遅延、伝送の信頼性（保証）は、特定のアプリケーションの機能によって決まります。 それにもかかわらず、IoTのネットワークテクノロジーと従来のモバイルネットワークとの違いを個別に検討する必要がある多くの一般的なターゲットがあります。



まず、エンドデバイスにネットワークテクノロジーを実装するコストは、最も手頃なクラスであっても、スマートフォンやモデムの製造に使用されている既存のGSM / WCDMA / LTEモジュールよりも数倍低くする必要があります。 接続デバイスの大量導入を妨げる理由の1つは、チップセットのコストが高いことです。これは、ほとんどのIoTシナリオでは不要な音声伝送やその他の多くの機能を含むネットワークテクノロジーの完全なスタックを実装します。



これに関連付けられていますが、個別に策定された要件は、低消費電力と長いバッテリ寿命です。 多くのIoTシナリオとアプリケーションには、内蔵バッテリーからの接続デバイスの自律的な電源供給が含まれます。 ネットワークモジュールの簡素化とエネルギー効率の高い設計により、5 W * hのバッテリー容量で最大10年のバッテリー寿命が可能です。 特に、このようなインジケータは、送信されるデータの量を減らし、デバイスが情報を送受信せず、実際に電力を消費しない「無音」の期間を長くすることで実現できます。 ただし、特定のメカニズムの実装は、テクノロジーごとに異なります。



ネットワークカバレッジは、レビューが必要なもう1つの機能です。 今日、モバイルネットワークのカバレッジは、屋内を含む集落でかなり安定したデータ転送を提供します。 ただし、接続されたデバイスは、人がほとんどいない場所にも配置できます：遠隔地、長い線路、広大な貯水池、地下室、断熱されたコンクリートと金属の箱、エレベータシャフト、コンテナなどの表面 IoT市場参加者の大多数によると、この問題を解決するための目標基準点は、今日のモバイルテクノロジーのカバレッジのリーダーである従来のGSMネットワークと比較して、ラインバジェットを20 dB改善することです。







さまざまな業界でモノのインターネットを使用するさまざまなシナリオは、まったく異なる通信要件を意味します。 また、接続を必要とするデバイスの数の観点からネットワークを迅速に拡張できるというだけではありません。 私たちが説明する「スマートブドウ園」の例に非常に単純なセンサーが多数含まれていた場合、産業企業では、特定の環境パラメーターを修正するだけでなく、アクションを実行する非常に複雑なロボットが接続されます。 健康の分野、特に遠隔医療用の機器について思い出すことができます。 リモート診断、複雑な医療操作の監視、リアルタイムビデオ通信を使用したリモートトレーニング用に設計されたこれらの複合体の使用は、信号遅延、データ伝送、信頼性、安全性に関してまったく異なる要件を間違いなく提示します。



IoTテクノロジーは、使用シナリオに応じてさまざまなネットワーク特性を提供し、数十から数百の異なるタイプのネットワークトラフィックに優先順位を付け、経済効率を維持するためにネットワークリソースの最適な再割り当てを行うのに十分な柔軟性が必要です。 何百万もの接続されたデバイス、多数のユースケース、柔軟な管理と制御-これらはすべて単一のネットワーク内に実装する必要があります。







ワイヤレスデータ送信の分野における近年の多くの開発は、既存のネットワークアーキテクチャとプロトコルを適応させたいという欲求と、ゼロからの新しいシステムソリューションの作成の両方に関連するこれらの問題の解決に費やされています。 一方では、単一の部屋または限られた領域内でIoT通信のタスクを非常にうまく解決する、いわゆる「キャピラリーソリューション」があります。 そのようなソリューションには、Wi-Fi、Bluetooth、Z-Wave、Zigbee、および現在人気のある多くのアナログが含まれます。



一方、最新のモバイルテクノロジーは、明らかに、適切に管理されたインフラストラクチャのカバレッジとスケーラビリティを提供するという点で競合していません。 エリクソンモビリティレポートによると、GSMのカバー率は世界人口の90％、WCDMAおよびLTEネットワークはそれぞれ65％および40％であり、ネットワークの構築が活発に進行しています。 モバイル通信標準、特に3GPPリリース13仕様の開発の一環として行われる手順は、グローバルなエコシステムを使用する利点を維持しながら、IoTターゲットを正確に達成することを目的としています。 これらの技術の進化は、第5世代（5G）ネットワーク標準を含むモバイル通信標準の将来の修正の基礎となります。



免許不要周波数スペクトル用の代替低電力技術は、一般に、より狭いアプリケーションを対象としています。 新しいインフラストラクチャを作成する必要性と技術の緊密さが、そのようなシステムの普及を著しく妨げています。











3GPP Release 13勧告の最新版に含まれるように定義されているモバイル通信標準の拡張機能について考えてみましょう。

EC-GSM

GSM技術を開発するGERANワーキンググループは、EC-GSM（同名のバリアント：EC-GPRS、EC-GSM-IoT）と呼ばれる高度な機能のパッケージを提案しています。 このテクノロジーは、ベースGSM / GPRS / EDGEに比べて比較的小さな変更を提供します。これにより、ハードウェアを交換またはアップグレードすることなく、この標準のインストール済みベースステーションの大半を使用できます。



主な特徴は次のとおりです。







実際、標準のGSM / GPRSキャリアが使用され、回線の予算を増やし、デバイスの数を増やし、エンドデバイスにテクノロジーを実装するコストを削減するための変更が加えられています。



導入された主な変更：



1） GSMおよび省電力モード（PSM ）の拡張DRX（eDRX、拡張不連続受信） -必須信号の頻度を減らし、情報の受信と受信の間隔を最適化し、最大52分間の「無音」の長時間をサポートします。デバイスは、情報を送受信せずにネットワークに接続されたままです。



2） 拡張カバレッジ -ネットワークのデータリンクレイヤーの適応。特に送信された情報の繰り返しを使用して、従来のシステムに比べてカバレッジを20 dB改善します。



3） その他の改善 ：ネットワークシグナリングの簡素化（WCDMA / LTEネットワークとのコラボレーションを提供するシグナリングの一部のサポートを拒否）。 認証メカニズムおよび接続セキュリティの拡張など。



EC-GSMの主な利点は、ネットワークインフラストラクチャの可用性（ほとんどの場合、ネットワークノードでのソフトウェアの更新のみが必要です）、およびGSMネットワークの普及とそのカバレッジです。

eMTC

eMTCバリアント（LTE-M、LTE Cat.M1とも呼ばれる）は、LTEネットワーク用のIoTの適応です。 オペレーターが利用できるネットワークインフラストラクチャとの最大の互換性を確保しながら、大量のIoTターゲット（コスト、カバレッジ、バッテリー寿命）を達成することに引き続き焦点が置かれています。

eMTCテクノロジーの重要な違いは、高帯域幅であり、各方向（サブスクライバーからサブスクライバー）で最大1 Mbpsです。 記事の冒頭で取り上げたさまざまなIoT使用シナリオを思い出してください。 場合によっては、そのようなデータレートが明らかに必要になります。







eMTCは、需要があり、モバイルブロードバンドアクセスネットワーク（ISM）で広く使用されているが、IoTデバイスを大量に接続すると冗長になるLTE機能の拒否により、最終的なIoTデバイスのコストを削減するように設計されています。 これは、IoT向けのLTE Cat.0を定義した以前の仕様リリース（リリース12）で3GPPが始めた作業の続きです。 EMTCは、LTE用の拡張DRXおよびPSMメカニズムも追加しました。これにより、EC-GSMの場合と同じ方法で消費電力を削減する問題が解決されます。



EC-GSMと同様に、eMTCは高度なネットワークインフラストラクチャの可用性を備えており、ソフトウェアを更新することで既存のLTEネットワークに展開できます。 さらに、ISPTとIoTネットワークは共存し、接続されたデバイスの種類と数、およびそれらによって作成されたトラフィックに応じて、使用されるリソース（周波数スペクトル、基地局の計算能力など）を動的に再配分できます。

NB-IoT

ナローバンドIoT（ナローバンドIoT）は、ネットワークIoTテクノロジーの開発における比較的新しい方向性であり、その使用によりLTEとの密接な相互作用と統合が提供されるという事実にもかかわらず、私たちはまだ新しいタイプの無線アクセスの作成について話し合っています。利用可能な技術。







リンクレイヤープロトコルの大幅な再設計により、Cat.M1 LTEと比較してNB-IoTデバイスのコストが90％削減されると予想されます。 ネットワーク機器や加入者モジュールの多くのメーカーは、エリクソン、Huawei、ノキア、インテル、クアルコムのほか、Vodafone、Deutsche Telekom、China Unicomなどの主要な通信事業者と同様、NB-IoTテクノロジーのサポートを既に製品で発表しています。



したがって、今年6月に予定されているEC-GSM、eMTC、およびNB-IoTの仕様の最終バージョンの採用により、市場参加者はIoTネットワーク開発のための3つの効果的なツールを自由に使用できるようになります。 それらのそれぞれには、特定の使用シナリオと、それらが展開されるモバイルネットワークの特性に応じて、独自の特性と利点があります。 ただし、いずれにしても、グローバルエコシステムの利点、展開されたネットワークとITインフラストラクチャの可用性と可用性、および保護された（ライセンスされた）周波数スペクトルの使用は、実装と運用のコストを削減するのに役立ちます。 これは、近い将来、プロジェクトの爆発的な成長が期待されることを意味します。



これで私たちの話は終わりです。Habrachiansの注目に感謝します！ 次の投稿では、NB-IoTテクノロジーの技術的側面に焦点を当てます。